DE19609774A1

DE19609774A1 - Digital coding and modulation for serial application, JK double-space

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Publication number: DE19609774A1
Application number: DE1996109774
Authority: DE
Inventors: Juergen Kindler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-13
Filing date: 1996-03-13
Publication date: 1996-09-05
Anticipated expiration: 2016-03-14
Also published as: DE19609774C2

Abstract

At the start of the bit trains, after a time for 1.5 bits and 1.5 bits before the end of the identical bit trains, a change of the data signal level to be transmitted or recorded is introduced. The extra signal level changes are forcibly phase-shifted by 180 deg. w.r.t. other previous signal level changes, due to the 1.5 bit time intervals. Between the extra, phase-shifted signal level changes are incorporated extra, phase-shifted signal level changes in a time spacing of 1 bit in each case, each according to the length of the respective, just appearing bit train of equal value, i.e. at more than 3 identical bits.

Description

Im folgenden Text wird zur Vereinfachung meist nur von der Datenübertragung gesprochen, obwohl natürlich sinngemäß auch die Datenaufzeichnung auf Datenträger und die Rückgewinnung der Daten von diesen Datenträgern dabei miteingeschlossen sind.To simplify matters, the following text mostly speaks only of data transmission, although of course, analogous to the data recording on data carriers and the recovery of the data are included from these data carriers.

State of the art

Bei allen bisher bekannten seriellen digitalen Verfahren zur Datenübertragung, oder zur Aufzeichnung auf Datenträgern, benötigt die empfangende oder auswertende Stelle eine Einrichtung, um die zeitlich nacheinander einzeln einlaufenden Datenbits, eindeutig entsprechend zeitlich rechtzeitig zu erfassen und entsprechend ihrer Wertigkeit auswerten und zuordnen zu können.In all previously known serial digital methods for data transmission or for recording on data media, the receiving or evaluating body needs a facility to track the time data bits arriving one after the other, clearly to be recorded in good time and to be able to evaluate and assign them according to their value.

Es sind verschiedene Codierungs- bzw. Modulationsverfahren bekannt, bei denen ein die Datenbits begleitender Datentakt mit diesen Datenbits zusammen verschlüsselt übertragen wird. Dieser mitübertragene Takt ermöglicht eine Synchronisation der auswertenden Stelle, die den Datenstrom wieder rekonstruieren muß. Bei all diesen Verfahren kann nicht die volle Bandbreite des Übertragungskanals nur für die Daten alleine ausgenutzt werden. Das heißt, die Datendichte ist nicht optimal und meist nur die Hälfte von dem, was der Datenkanal zulassen würde.Various coding or modulation methods are known, in which the data bits accompanying data clock with these data bits is transmitted encrypted together. This The clock which is also transmitted enables a synchronization of the evaluating point, the data stream must reconstruct again. With all of these methods, the full bandwidth of the Transmission channel can only be used for the data alone. That is, the data density is not optimal and mostly only half of what the data channel would allow.

Weiter sind Codierungsverfahren bekannt, bei denen aus dem binären Datenfluß eine Umwandlung in ein bipolares bzw. pseudoternäres Datensignal stattfindet. Dabei kann die höchstmögliche Daten-dichte auf dem Übertragungskanal erreicht werden, wobei die Taktrückgewinnung aus den Pegelzustandsänderungen erfolgen muß. Jedoch kann bei längerer Folge gleicher Bitzustände z. B. der binären Nullen, kein eindeutiges Taktsignal rückgewonnen werden. Zudem werden drei Pegelzustände benutzt, die eine entsprechende Konditionierung des auszuwertenden Signals erfordern.Coding methods are also known in which a conversion from the binary data flow into a bipolar or pseudoternary data signal takes place. It can be the highest possible data density can be achieved on the transmission channel, the clock recovery from the Level changes must take place. However, in the event of a longer sequence of the same bit states, e.g. B. the binary zeros, no clear clock signal can be recovered. In addition, three level states used, which require appropriate conditioning of the signal to be evaluated.

Gleichzeitig ist bei allen verwendeten Verfahren zwingend nötig, bei gleichartigen längeren Daten zuständen, seien es Einsen- oder Nullenbits, den Übertragungskanal oder Auswerteteil gleich spannungsfrei zu halten, um eindeutig zuordenbare Pegel in den notwendigen Verstärkerstufen zu behalten. Dies ist je nach verwendetem Verfahren möglich, unmöglich, aufwendig oder nicht optimal möglich.At the same time, it is imperative for all of the methods used, for similar longer data conditions, be it ones or zeros, the transmission channel or evaluation part the same keep voltage-free in order to clearly assignable levels in the necessary amplifier stages to keep. Depending on the method used, this is possible, impossible, complex or not optimal possible.

Bitmuster die zuwenig Taktinformationen enthalten würden, da sie zuwenig Zustandswechsel des Datensignales enthalten, müssen je nach Verfahren, zusätzlich gescrambelt werden, um genügend Informationen für die Taktrückgewinnung zu erhalten.Bit patterns that would contain too little clock information, since they do not change the state of the Data signals contain, depending on the method, must be additionally scrambled to ensure sufficient Obtain information for clock recovery.

Die obigen Verfahren sind in "Digitale Modulationsverfahren" von Rudolf Mäusel, erschienen im Hüthig Verlag, dritte bearbeitete Auflage, Kapitel 2.4 bis 2.4.2 ausführlich beschrieben.The above methods are in "Digital Modulation Methods" by Rudolf Mäusel, published in Hüthig Publisher, third edition, chapters 2.4 to 2.4.2 described in detail.

problem

Es sind hier keine bisherigen Kodierungs- oder Modulationsverfahren bekannt, bei denen gleichzeitig eine höchstmögliche Datendichte (weil ohne Taktübertragung), verbunden mit nur zwei Pegelzu ständen des zur Übertragung herangezogenen Datenkanales, miteinander ein Optimum darstellen würden.No previous coding or modulation methods are known here, in which at the same time the highest possible data density (because without clock transmission), combined with only two levels states of the data channel used for the transmission, represent an optimum with one another would.

BezugszeichenlisteReference list

a, c und e sind Beispiele für mögliche originale Datenströme
b, d und f sind die zu a, c und e passenden umkodierten bzw. modulierten Übertragungssignale
0 und 1 stellen entsprechend Datenbits dar, wobei eine 1 positiv, eine 0 negativ dargestellt ist
2 ist der Beginn einer Bitfolge von mehr als zwei gleichwertiger Bits
3 ist das Ende einer Bitfolge von mehr als zwei gleichwertiger Bits
4 ist der Wechsel zwischen mehr als zwei gleichwertiger Bits zu einer weiteren Folge von mehr als zwei gleichwertiger Bits, die den gegengesetzten Wert zu der vorangegangenen Folge besitzen
5 ist der Signalpegelwechsel zu Beginn der gleichwertigen Bitfolge, von mehr als zwei gleichwertiger Bits, am Ende der ersten "1,5"-Bits
6 ist der Signalpegelwechsel als Anfang der zweiten "1,5"-Bits, die zum Ende der gleichwertigen Bitfolge, das Ende dieser Bitfolge repräsentieren.
7 zusätzlich eingefügte Signalpegelwechsel zwischen den jeweils paarig auftretenden "1,5"-Bit-Folgen, innerhalb einer gleichwertigen Bitfolge von mehr als zwei gleichen Bits, zur Unterdrückung unerwünschter Gleichspannungsanteile im Signalstrom.
8 nach 9 zeitlich schnellste Folge abwechselnder Signalflanken durch wechselnde 0 1 0 1 Bits
9 nach 10 zeitlich langsamste Folge abwechselnder Signalflanken durch jeweils zwei gleiche Bits
x Bereiche gleichwertiger Bitfolgena, c and e are examples of possible original data streams
b, d and f are the transcoded or modulated transmission signals matching a, c and e
Correspondingly, 0 and 1 represent data bits, with 1 representing positive and 0 representing negative
2 is the beginning of a bit sequence of more than two equivalent bits
3 is the end of a bit sequence of more than two equivalent bits
4 is the switch between more than two equivalent bits to a further sequence of more than two equivalent bits that have the opposite value to the previous sequence
5 is the signal level change at the beginning of the equivalent bit sequence, of more than two equivalent bits, at the end of the first "1.5" bits
6 is the signal level change as the beginning of the second "1.5" bits, which represent the end of this bit sequence at the end of the equivalent bit sequence.
7 additionally inserted signal level changes between the paired "1.5" bit sequences, within an equivalent bit sequence of more than two identical bits, for suppressing undesired DC voltage components in the signal stream.
8 after 9 fastest sequence of alternating signal edges by alternating 0 1 0 1 bits
9 after 10, the slowest sequence of alternating signal edges, each with two identical bits
x Areas of equivalent bit sequences

Functional explanation of the procedure

Der originale seriell zu übertragende Datenstrom, bestehend aus beliebig aufeinanderfolgenden Bits gleicher zeitlicher Länge, wird für jeweils drei Bits in einer dafür geeigneten Einrichtung zwischengespeichert und analysiert. Dabei wird überprüft, ob mehr als zwei aufeinanderfolgende Bits den gleichen logischen Zustand besitzen. Solange dies nicht der Fall ist, d. h. solange sich "1"-Bits, oder "0"-Bits mit einer maximalen Zahl von zwei gleichen Bits abwechseln, wird der Datenstrom unverändert dem Übertragungskanal zugeführt.The original serial data stream, consisting of any number of consecutive bits the same length of time, is for every three bits in a suitable facility cached and analyzed. It is checked whether there are more than two consecutive bits have the same logical state. As long as this is not the case, i. H. as long as "1" bits or alternate "0" bits with a maximum number of two equal bits, the data stream fed unchanged to the transmission channel.

Läuft eine Folge von mehr als zwei gleichen Bits, egal ob "1"-en oder "0"-en ein (x), wird zu Beginn dieser gleichwertigen Bitfolge, die sich ja zwangsläufig durch einen Wechsel des Pegels (2) von dem zuletzt davor gelaufenen Bit abtrennt, nach einer Zeitdauer von 1,5 Bits, ein zusätzlicher Signalpegel wechsel eingefügt (5). Diese "1,5"-Bitfolge ist die Erste von zwei jeweils paarig auftretenden "1,5"- Bitfolgen, die den Beginn und das Ende einer gleichwertigen Bitfolge des Datenstromes kennzeichnet.If a sequence of more than two identical bits runs in, regardless of whether "1" s or "0" s (x), this equivalent bit sequence, which inevitably results from a change in level ( 2 ) from the last one, is added to the beginning separates the previous bit after a period of 1.5 bits, an additional signal level change is inserted ( 5 ). This "1.5" bit sequence is the first of two "1.5" bit sequences which occur in pairs and which marks the beginning and the end of an equivalent bit sequence of the data stream.

Jedes nachfolgende Datenbit wird in die Analyseeinrichtung, die aus einem Schieberegisterteil und einem Analyseteil besteht, eingeschoben, und die bereits darin enthaltenen Bits um eine Stelle weiter geschoben. Dabei wird der Inhalt des Schieberegisters Bit für Bit untersucht, ob der gleichwertige Zustand aufeinanderfolgender Bits weiterhin besteht.Each subsequent data bit is in the analysis device, which consists of a shift register part and consists of an analysis part, inserted, and the bits already contained in it by one digit pushed. The content of the shift register is examined bit by bit, whether the equivalent Successive bits still exist.

Wenn die Analyse weiterhin gleichwertige drei Bits im Schieberegister feststellt, befindet sich der Datenstrom weiter im Bereich einer gleichen Bitfolge (x). An dieser Stelle wird dann nach (5) ein weiterer Wechsel des Pegels (7) im Abstand von zeitlich einem Bit zum vorherigen Pegelwechsel eingefügt. Sollte ein neu eingeschobenes Bit eine andere Wertigkeit besitzen, als die beiden "alten" darin enthaltenen Bits, so ist das Ende des gleichwertigen Datenstromes nach den nächsten zwei Bits erreicht, d. h. es muß jetzt nach dem nächsten zusätzlichen Signalpegelwechsel die zweite "1,5"- Bitfolge eingefügt werden. Sie beginnt mit (6). Nach dieser zweiten "1,5"-Bitfolge ist das Ende der Folge gleichwertiger Bits (3) erreicht. If the analysis continues to find three bits of the same value in the shift register, the data stream is still in the same bit sequence (x). At this point, a further change in level ( 7 ) is then inserted after ( 5 ) at a time interval of one bit from the previous level change. If a newly inserted bit has a different value than the two "old" bits contained in it, the end of the equivalent data stream has been reached after the next two bits, ie after the next additional signal level change the second "1.5" - Bit sequence can be inserted. It starts with ( 6 ). After this second "1.5" bit sequence, the end of the sequence of equivalent bits ( 3 ) has been reached.

Es können jetzt wieder "normale" Bitfolgen von ein oder zwei gleicher Bits kommen, oder es kann auch eine Folge von mehr als zwei gleicher Bits, mit entsprechender Codierung bzw. Modulierung, folgen.Now "normal" bit sequences of one or two identical bits can come again, or it can a sequence of more than two identical bits, with corresponding coding or modulation, follow.

Ist die gleichwertige Bitfolge nur 3-Bits lang, wie die Erste in (a), so ist das Ende der ersten "1,5"- Bitfolgen gleichzeitig der Beginn der Zweiten (5). Beide zusammen bilden ein Paar, das die gesamte Länge einer zusammenhängenden Bitfolge gleichwertiger Bits kennzeichnet.If the equivalent bit sequence is only 3 bits long, like the first in (a), the end of the first "1.5" bit sequences is also the beginning of the second ( 5 ). Together, they form a pair that characterizes the entire length of a connected bit sequence of equivalent bits.

Bei aufeinanderfolgenden drei Bit langer Folgen, je dreier gleichwertiger Bits (drei Null-Bits nach drei Eins-Bits etc.), können auch vier (oder mehr) aufeinanderfolgende "1,5"-Bitfolgen auftreten (a).For successive three-bit sequences, three equal bits each (three zero bits after three One-bits, etc.), four (or more) consecutive "1.5" bit sequences can also occur (a).

In (c) und (e) sind längere Bitfolgen gleicher Wertigkeit eingezeichnet. Die entsprechenden Kodie rungen sind aufgrund der vorgenannten Erläuterungen einfach nachzuvollziehen.In (c) and (e) longer bit sequences of the same value are shown. The corresponding code rations are easy to understand based on the above explanations.

Die Einfügung von "1,5"-Bitfolgen und der dazugehörigen zusätzlichen Pegelwechsel des Signals, entsprechen an dieser Stelle einem Phasensprung von 180° (5) und (6), der auch die bei Bedarf zusätzlich eingefügten Pegeländerungen (7) zwischen den paarig auftretenden "1,5"-Bitfolgen kennzeichnet, bis die Bitfolge gleicher Wertigkeit durch die zweite "1,5"-Bitfolge beendet wird.The insertion of "1.5" bit sequences and the associated additional level change of the signal correspond at this point to a phase jump of 180 ° ( 5 ) and ( 6 ), which also includes the additional level changes ( 7 ) that are inserted between the pairs if necessary "1.5" bit sequences indicates until the bit sequence of equal value is ended by the second "1.5" bit sequence.

Wie am Ende des Datenstromes in (a) und dem dazugehörenden kodierten Signal (b) sowie am Ende von (c) und (d) erkannt werden kann, ist das auf die Übertragungsleitung gelangende Signal an dieser Stelle gegenphasig, obwohl wieder "normale" Daten in Form von Bitfolgen ausgegeben werden, deren Länge nicht länger als maximal zwei Bits sind. Dies ist kein Widerspruch, da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht der absolute Pegel für "1" gleich positiv und für "0" gleich negativ vorgeschrieben ist. Vielmehr werden immer nur die Abstände der Signalflanken der Pegelwechsel, für die Datenrückgewinnung ausgewertet. Das Verfahren ist dadurch gleichzeitig auch unabhängig von im Übertragungsweg an Verstärkern oder digitalen Schaltelementen stattfindenden Invertierungen. Sinnvoll ist in diesem Zusammenhang eine Synchronisierung der Datenübertragung und der Kodierung zu Beginn des auf die Übertragungsstrecke auslaufenden Signalstromes, damit eine Eindeutigkeit besteht, welchem Beginnsignalpegel, welche Bitwertigkeit zugeordnet wird. Die weiteren Wertigkeiten der nachfolgenden Bits, nach der Dekodierung im empfangenden Teil der Übertragungsstrecke, ergeben sich dann zwangsläufig richtig.As at the end of the data stream in (a) and the associated coded signal (b) and at the end can be recognized by (c) and (d) is the signal arriving at the transmission line on it Place in phase opposition, although "normal" data are output in the form of bit sequences, the Length is no longer than a maximum of two bits. This is not a contradiction, since the The inventive method does not mean the absolute level for "1" is equal positive and for "0" is equal negative is prescribed. Rather, only the distances between the signal edges of the level changes, for the data recovery is evaluated. As a result, the process is also independent of im Transmission path on inverters or digital switching elements. In this context, it makes sense to synchronize the data transmission and the coding at the beginning of the signal stream running out onto the transmission link, so that it is unambiguous which start signal level is assigned which bit weight. The other weights the following bits, after decoding in the receiving part of the transmission link, then inevitably arise correctly.

Durch die Auswertung der Signalpegeländerungen d. h. nur der Flanken dieser Änderungen, ergibt sich eine hohe Sicherheit von 50% einer Bitbreite, für die richtige Erkennung einer Flanke, bei Jitter auf den Flanken. Es werden zeitlich nur Flanken nahe der Grenze zweier benachbarter "normaler" Bits, oder nahe der Mitte eines Bits (im Falle der längeren gleichen Bitfolge durch die Phasendrehung um 180° an dieser Stelle) benötigt. Das heißt innerhalb ± 25% oder mit anderen Worten von 3/4 des vorherigen Bits bis 1/4 des neuen Bits. Alles was dazwischen einläuft, wird als Flankenwechsel auf der Grenze benachbarter Bits registriert. Und andererseits innerhalb von +25% bis +75%, oder mit anderen Worten von 1/4 des neuen Bits, bis 3/4 werden als Flanke in der Mitte dieses Bits, also als 180° Signal interpretiert.By evaluating the signal level changes d. H. only the flanks of these changes result a high security of 50% of a bit width, for the correct detection of an edge, with jitter on the Flanks. Only edges near the boundary of two adjacent "normal" bits, or near the middle of a bit (in the case of the longer same bit sequence due to the phase shift by 180 ° this point) is required. That is within ± 25% or in other words 3/4 of the previous one Bits to 1/4 of the new bit. Everything that comes in between is called a flank change on the border adjacent bits registered. And on the other hand within + 25% to + 75%, or with others Words from 1/4 of the new bit to 3/4 are used as an edge in the middle of this bit, i.e. as a 180 ° signal interpreted.

Durch nur zwei benötigte Signalpegelzustände, ergibt sich ein höchstmöglicher Störspannungsabstand gegen rauschen oder übersprechen auf der Übertragungsstrecke.With only two required signal level states, the highest possible interference-to-noise ratio results against noise or crosstalk on the transmission link.

Es werden nur drei unterschiedliche Frequenzen im Datenkanal übertragen, nämlich f z. B. in (b) im Bereich von (8) nach (9) oder in z. B. (d) bei (7), weiter die Frequenz f/2 z. B. in (b) im Bereich von (9) nach (10), und dazwischenliegend f3/4 z. B. in (b), durch die 180° Phasenverschiebung in (2) nach (5) nach (3), oder (2) nach (5) nach (4) nach (5) nach (3) im rechten Teil von (b). Only three different frequencies are transmitted in the data channel, namely f z. B. in (b) in the range from ( 8 ) to ( 9 ) or in z. B. (d) at ( 7 ), further the frequency f / 2 z. B. in (b) in the range from ( 9 ) to ( 10 ), and in between f3 / 4 z. B. in (b), through the 180 ° phase shift in ( 2 ) to ( 5 ) to ( 3 ), or ( 2 ) to ( 5 ) to ( 4 ) to ( 5 ) to ( 3 ) in the right part of ( b).

Das erfindungsgemäße Kodierungs- oder Modulationsverfahren läßt sich für alle Arten von Datenübertragung, sei es per Funk, drahtgebunden, mit optischen, oder anderen artverwandten Über tragungstechniken verwenden.The coding or modulation method according to the invention can be used for all types of Data transmission, be it by radio, wired, optical, or other related means use wearing techniques.

Es ist ebenso vorteilhaft einsetzbar für die Aufzeichnung auf magnetischen, optischen oder anderen digitalen Datenträgern.It can also be used advantageously for recording on magnetic, optical or others digital media.

Es kann auch bei schon bestehenden Komprimierungsverfahren, eine weitere 2 : 1 Komprimierung zulassen, wenn das Komprimierungsergebnis aus Bits gleicher zeitlicher Länge besteht.With existing compression methods, another 2: 1 compression can be used allow if the compression result consists of bits of the same length in time.

Advantages of the procedure

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kodierungs- oder Modulationsverfahrens gegenüber bisheriger bekannter Verfahren, ergeben sich aus der Kombination der folgenden Eigenschaften.The advantages of the coding or modulation method according to the invention over previous ones known methods result from the combination of the following properties.

1. Highest possible data density, since no accompanying Klock is transmitted for synchronization.
2. Only two signal level states required for transmission or recording, thereby higher S / N ratio.
3. At the evaluating point, the incoming signal data edges to be evaluated can almost "jitter" approximately 50% of a data bit width.
4. During bit sequences of more than two bits with the same value, additional signal edges with 180 ° phase shift are inserted in order to identify these bit sequences.
By inserting these additional signal edges, DC voltage components on the transmission link and the amplifiers are avoided during long bit sequences of equal value. "Scrambling" is unnecessary.
5. Only the incoming signal levels are in the receiving or evaluating point changes, d. H. the signal edges and their distances from each other are evaluated. This is the inventive method regardless of the respective absolute height and location of the Signal level. Inverts in the transmission path are irrelevant.
6. By using the method according to the invention, compared to many of the conventional With the same bandwidth of the transmission path, twice as much data can be transferred transferred at the same time, or store twice as much data on data media.
7. Only a maximum of three different frequencies occur with any data transmission, namely the frequency f, f / 2 and in between f3 / 4. This simplifies the design of the amplifiers ker, the transmission links, or the data recording devices essential. The full bandwidth of the transmission links is only partially required.

Claims

1. Digital coding or modulation method for serial application, characterized in that by utilizing sequences in the data stream of more than two bits of the same logical state or value, at the beginning of these bit sequences, after 1.5 bits in time and 1.5 bits in time Before these equivalent bit sequences are terminated, a change in the data signal level to be transmitted or recorded is inserted. (With a sequence of only 3 identical bits, the signal level change after the first 1.5 bits coincides with the signal level change at the beginning of the second 1.5 bits to form a signal level change). These additional changes in the signal level are inevitably phase-shifted by 180 ° compared to the other previous signal level changes due to the 1.5 bit time periods. Between these additional phase-shifted signal level changes, additional phase-shifted signal level changes are inserted at intervals of one bit, depending on the length of the respective bit sequence currently pending, if there are more than 3 identical bits.

2. Digital coding or modulation method for serial application, according to claim 1, characterized, that for data recovery - after previous synchronization - not the current one Signal level, but the signal level changes, i. H. the signal edges and their temporal Distances to each other, can be used. And that only two signal levels are used and the absolute signal level in size and direction is not relevant for data recovery.

3. Digital coding or modulation method for serial application, according to claim 1, or 2, characterized in that it can be used for all types of serial digital data transmission and its media can, be it by radio, wired, light waves or other comparable physi calic techniques and their transmission media.

4. Digital coding or modulation method for serial application, according to claim 1, or 2, characterized in that it is used for all types of serial digital recording on data carriers or media can be, be it magnetic, optical or other physical processes and their Media.

5. Digital coding or modulation method for serial application, according to claim 1, or 2, or 3, or 4, characterized in that that the receiving or evaluating body from the according to the invention Process encoded transmitted signal, or a corresponding record the recover original data and thereby the rules of the method according to the invention applies retrospectively.

6. Digital coding or modulation method for serial application, according to claim 1, or 2, or 3, or 4, or 5, characterized in that that the rules of the method according to the invention in a similar way, by insertion other, e.g. B. by 2.5 bits (or other similar signal level changes) at the beginning and before modified the end of equivalent bit strings to identify these bit strings to be used.